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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2021, 36(7): 712-726 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.057

综述与评述

土壤侵蚀中的片蚀研究综述

李芦頔,1, 吴冰,1, 李鑫璐1, 杨洁2, 林良国2

1.西安交通大学 人居环境与建筑工程学院,陕西 西安 710049

2.长安大学 土地工程学院,陕西 西安 710054

Sheet Erosion Study in Soil Erosion: A Review

LI Ludi,1, WU Bing,1, LI Xinlu1, YANG Jie2, LIN Liangguo2

1.School of Human Settlements and Civil Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China

2.School of Land Engineering,Chang'an University,Xi'an 710054,China

通讯作者: 吴冰(1987-),男,陕西西安人,副教授,主要从事土壤侵蚀过程与机理研究. E-mail:wubing1099@xjtu.edu.cn

收稿日期: 2021-04-07   修回日期: 2021-05-25   网络出版日期: 2021-08-20

基金资助: 国家自然科学基金青年科学基金项目“黄土地区受雨滴打击影响的片流搬运能力试验研究”.  41907046
地表过程与资源生态国家重点实验室(北京师范大学)开放课题“黄土坡面片蚀过程关键参数及其耦合关系试验研究”.  2020-KF-08

Corresponding authors: WU Bing (1987-), male, Xi'an City, Shaanxi Province, Associate professor. Research areas include soil erosion process and mechanism. E-mail: wubing1099@xjtu.edu.cn

Received: 2021-04-07   Revised: 2021-05-25   Online: 2021-08-20

作者简介 About authors

李芦頔(1996-),女,陕西西安人,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀过程与机理研究.E-mail:ludylee@stu.xjtu.edu.cn , E-mail:ludylee@stu.xjtu.edu.cn

摘要

土壤侵蚀制约着社会、经济、环境的协调发展,危害极大,片蚀是坡面土壤侵蚀过程的第一阶段,又是土壤坡面水蚀过程中分布面积最大且最为复杂和独特的侵蚀类型。研究片蚀过程和机理对于深入揭示坡面水蚀机制,建立区域水蚀模型具有重要意义。归纳总结了国内外现有的片蚀研究现状,包括片蚀动力学过程与机理,雨滴动能、降雨强度、坡度、植被覆盖、土壤类型和地表粗糙度对片蚀的影响,坡面片蚀分离、搬运及其限制性过程,基于不同影响因子的坡面片蚀预测模型等,虽然学者从各个角度定性定量地研究了片蚀对不同影响因子的响应,但是研究仍存在一定的区域限制性,因此可进一步开展相关研究建立具有广泛应用性的片蚀预测模型。研究结果可为我国水土流失综合治理及生态文明建设提供科学依据。

关键词: 片蚀 ; 坡面径流 ; 降雨 ; 土壤侵蚀

Abstract

Soil erosion is extremely dangerous which can restrict the balanced development of society, economy, and environment. Sheet erosion belongs to the first stage of the soil erosion process, and it is the largest and most complex and unique type of erosion in the process of water erosion. Studying the process and mechanism of sheet erosion is of great significance to reveal the mechanism of water erosion and establish regional water erosion models. This article summarizes the current researches of sheet erosion: the dynamic process and mechanism of sheet erosion, the influences of raindrop kinetic energy, rainfall intensity, slope steepness, vegetation cover, soil type and surface roughness on sheet erosion, the detachment-limited process and transport-limited process of sheet erosion and sheet erosion prediction models based on different influencing factors, etc. Although scholars have qualitatively and quantitatively studied the response of sheet erosion to different influencing factors, the current researches still have certain regional limitations. Therefore, relevant researches can be further carried out to establish widely applicable sheet erosion prediction models. The results can provide a scientific basis for the comprehensive management of soil erosion and the construction of ecological civilization in China.

Keywords: Sheet erosion ; Overland runoff ; Rainfall ; Soil erosion

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本文引用格式

李芦頔, 吴冰, 李鑫璐, 杨洁, 林良国. 土壤侵蚀中的片蚀研究综述. 地球科学进展[J], 2021, 36(7): 712-726 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.057

LI Ludi. Sheet Erosion Study in Soil Erosion: A Review. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(7): 712-726 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.057

1 引 言

坡面土壤侵蚀是导致生态环境恶化、限制人类生存与发展的全球性环境问题之一1。片蚀作为坡面土壤侵蚀演变的初始形态,具有独特的侵蚀特征,是坡面水蚀最为复杂的过程之一2。片蚀分布面积广,片蚀过程中的大面积片流汇集后成为坡面不同等级沟蚀的主要侵蚀动力3。因此,坡面片蚀问题早已成为各界广泛关注的焦点,不同学者对片蚀给出了定义,朱显谟4在研究中指出片蚀即片状侵蚀或者层状侵蚀,是地表或者沟壁土壤表面发生薄层剥蚀悬移的现象。吴普特5将细沟间侵蚀、片蚀以及薄层水流侵蚀三者表述为统一概念。Foster等67将坡面土壤侵蚀划分为细沟侵蚀和细沟间侵蚀即片蚀,细沟间侵蚀是指坡面上细沟未形成之前或细沟形成之后细沟间的土壤侵蚀过程8。同时,国内外学者从片蚀动力学机制、片蚀影响因素、片蚀过程及片蚀模型等方面展开了不同程度的研究,本文通过阐述国内外在片蚀方面的研究进展,总结分析了片蚀过程、机理以及相关规律,提出了未来开展片蚀研究的方向以及重点领域,研究结果对揭示坡面土壤侵蚀特点、维系土地资源可持续利用、优化水土保持措施配置模式以及加强生态文明建设等,具有一定的科学意义和理论支撑。

2 水动力学参数及水力学参数

水流的作用力是坡面片蚀的主要动力源。水流剪切力、水流功率和单位水流功率是由流量、水深、坡度以及流速等单个水动力学参数集成的综合性水动力学参数,虽然上述3个水动力学参数在物理意义、计算方法和单位等方面均存在较大差别,但是现有大多数针对片流输沙能力和片蚀的模拟与预测研究都基于这3个水动力学参数。由于试验方法和试验条件等不同,适用于描述片流过程中输沙能力和片蚀的水动力参数尚无定论。水流流速及水深是与片蚀关系密切的水力学参数。水动力学参数和水力学参数可以从不同方面反映坡面径流特征,不同学者也对此展开了深入研究。

2.1 水流功率

水流功率被定义为一定高度的水流沿坡面流动的势能损失,20世纪60年代开始,水流功率被广泛用于模拟输沙能力和片蚀9~11。基于水流功率的土壤输沙能力和片蚀预测模型如表111~22所列。作为水蚀预测模型之一的GUEST模型使用水流功率来模拟土壤输沙能力12。Zhang13通过模拟降雨实验对降雨主导下输沙能力预测模型进行了研究,得出水流功率是模拟输沙能力和片蚀的最佳参数。Zhang等14、Gao等15、Wang等16和Li等17分析讨论了不同水动力参数与土壤输沙能力的响应关系,认为水流功率最适宜用来描述土壤输沙能力。一些学者进一步分析了水流功率与输沙能力和片蚀之间的回归关系:Cao等18根据试验结果,认为输沙能力和水流功率之间的关系为线性函数关系,栾莉莉等19则认为输沙能力和水流功率之间的关系为幂函数关系;赵海滨等20和Wu等2122发现片蚀率和水流功率之间的关系亦为线性关系。

表1   水流功率模型汇总[11~22]

Table 1  The summation of stream power models[11~22]

模型试验用土试验方法颗粒组成R2NSEn参考文献
Tc=0.437(Ω-0.698)d50=0.28 mm

坡度:8.8%、17.6%、22.2%、26.8%、31.5%、 36.4%、41.4%、46.6%

单宽流量:0.625×10-3、1.250×10-3、1.875×10-3、2.500×10-3、3.125×10-3、3.750×10-3、 4.375×10-3、5.00×10-3 m2/s

-0.980.986411
Tc=0.470(Ω-0.95)

冲击砂

d50=0.326 mm

坡度:8.7%、17.6%、22.2%、26.8%、 31.5%、36.4%、41.4%、46.6%

径流速率:0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0 L/s

-0.97-6412

Tc=0.202Ω1.45

Tc=1.57×10-41Ω2.88KE16.11ea

-

降雨强度:24、60、90、120、138、150 mm/h

坡度:12.3%、17.6%、26.8%、36.4%、40.4%、46.63%

34.0%砂粒

56.1%粉粒

9.9%黏粒

0.900.7515513

Tc=0.283Ω1.266

Tc=0.178Ω1.413

Tc=0.141Ω1.423

Tc=0.117Ω1.435

Tc=0.095Ω1.441

d50=0.10 mm

d50=0.22 mm

d50=0.41 mm

d50=0.69 mm

d50=1.16 mm

单宽流量:0.66×10-3、1.32×10-3、2.63×10-3、 3.95×10-3、5.26×10-3 m2/s

坡度:8.7%、17.4%、25.9%、34.2%、42.3%

-

0.94

0.96

0.96

0.97

0.96

-

22

24

25

25

25

14
Φ=0.0413(Ω`-36.5)1.1781

绵黄土

d50=0.04 mm)

沙黄土

d50=0.095 mm)

坡度:12.23%、17.63%、26.8%、 36.4%、40.4%、46.63%

降雨强度:40、60、90、120、138、150 mm/h

沙黄土:

0.30%粗砂粒

64.9%细砂粒

22.0%粗粉粒

2.8%中粉粒

3.2%细粉粒

5.8%黏粒

0.9500.9784615

绵黄土:

36.58%细砂粒

48%粗粉粒

3.84%中粉粒

4.73%细粉粒

6.85%黏粒

SE=0.0154(Ω-0.00325)-

坡度:12.3%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6%

降雨强度:42、60、90、120、150 mm/h

植被覆盖率:30%、40%、50%、60%、70%

70.09%砂粒

21.42%粉粒

8.49%黏粒

0.930.895016

Φ=0.03Ω*1.55

Φ=0.05Ω*1.43

细砂和粉砂

d50=0.17 mm

d50=0.53 mm

坡度:3.49%~20.9%

单宽流量:0.0667×10-3~0.3333×10-3 m2/s

-

0.82

0.95

--17
qs=0.00008Ω-0.00079黄土

降雨强度:43.8、68.4、83.4、128.4、142.2 mm/h

坡度:10.5%、17.6%、26.8%

10.25%砂粒

72.10%粉粒

17.65%黏粒

0.907-1918
Tc=0.213Ω1.25

泥沙

d50=0.28 mm

坡度:8.7%、17.4%、25.9%、34.2%、38.3%、42.3%

单宽流量:0.66×10-3、1.32×10-3、1.97×10-3、2.63×10-3、3.29×10-3、3.95×10-3、4.61×10-3、5.26×10-3 m2/s

-0.9750.9686419

Gs=10.245(Ω-3.126)

Gs=6.535(Ω-2.496)

Gs=5.168(Ω+0.36)

-

坡度:17.6%、36.4%、57.7%

流量:1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.5、10 L/min

-

0.929

0.805

0.925

-

7

7

7

20
SE=0.06Ω-0.0003

沙黄土

d50=0.0039 mm

坡度:12.23%、17.63%、26.8%、 36.4%、40.4%、46.63%

降雨强度:40、60、90、120、138、150 mm/h

70.09%砂粒

21.42%粉粒

8.49%黏粒

0.970.971821
SE=7.77(Ω-0.008)黄土

坡度:12.23%、17.63%、26.8%、 36.4%、40.4%、46.63%

降雨强度:40、60、90、120、138、150 mm/h

36.21%砂粒

55.3%粉粒

8.49%黏粒

0.870.873522

注:d50为土颗粒的中数直径(mm);Ω为水流功率(W/m2);Gs为径流输沙能力(g/min);Tc为片流输沙能力[kg/(m⋅s)];qs为单位输沙能力[g/(cm⋅s)];KE为降雨动能[J/(m2⋅h)];SE为片蚀率[kg/(m2⋅s)];Φ为无量纲化片流输沙能力;Ω`Ω*均为无量纲化水流功率;-为论文未提及相关参数;R2为决定系数;NSE为纳什效率系数;n为样本个数。

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2.2 单位水流功率

20世纪70~80年代,外国学者从冲击砂砾河床径流的总沉积物浓度分析中得出单位水流功率是确定沉积物浓度的重要参数之一2324。为验证上述单位水流功率理论,Moore等25通过直接采用单位水流功率进行片蚀和细沟侵蚀的计算,结果表明:当土体颗粒呈分散状态时,单位水流功率可精确模拟片流和细沟流的输沙率。如表21115~172126~30所列,一些学者也通过试验数据资料验证了单位水流功率与输沙能力以及片蚀之间具有较好的关系111626~29。为研究几种已有输沙模型的适用性以及建立基于单位水流功率模拟输沙能力的函数,Ali等30使用4种不同的砂土在不同坡度和单位径流量下进行试验,得出已有的几种输沙模型在特定的试验状态下并不能精确地描述输沙能力,根据试验数据结果以及量纲分析建立了基于单位水流功率的输沙能力方程。然而,由于试验条件不同等因素,部分学者根据试验研究结果以及理论分析认为单位水流功率并不适用于描述输沙能力和片蚀151721

表2   单位水流功率模型汇总[11, 15~17, 21, 26~30]

Table 2  The summation of unit stream power models [11, 15~17, 21, 26~30]

模型试验用土试验方法颗粒组成R2NSEn参考文献
Tc=0.024qγsω-0.40.863d50=0.28 mm

坡度:8.7%、17.6%、22.2%、26.8%、31.5%、36.4%、41.4%、46.6%

单宽流量:0.625×10-3、1.250×10-3、1.875×10-3、2.500×10-3、3.125×10-3、3.750×10-3、4.375×10-3、5.00×10-3 m2/s

-0.920.926411
SE=0.0148(ω-0.0003)-

坡度:12.3%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6%

降雨强度:42、60、90、120、150 mm/h

植被覆盖率:30%、40%、50%、60%、70%

70.09%砂粒

21.42%粉粒

8.49%黏粒

0.930.895016
Tc=2326.6ω2.89

4种砂粒

d50=0.233、0.536、0.719、1.022 mm

坡度:5.2%、8.7%、13.2%、17.6%

单宽流量:0.07×10-3~2.27×10-3 m2/s

-0.87--26
Tc=ρsqd50+50.32-0.5ω-ωucrd50+53000.25

4种砂粒

d50=0.230、0.536、0.719、1.022 mm

坡度:1.7%、3.5%、8.7%、14.1%、21.0%

单宽流量:0.20×10-3~10.0×10-3 m2/s

---43627
SE=4.45ω+2.54沙壤土

降雨强度:38.2~56.3 mm/h

坡度:2.5%、11.5%、20.5%、30%、40%

50.0%砂粒

22.0%粉粒

28.0%黏粒

0.76--28

Tc=20.648ω1.317

Tc=25.893ω1.555

Tc=23.388ω1.615

Tc=19.231ω1.601

Tc=15.311ω1.581

d50=0.10 mm

d50=0.22 mm

d50=0.41 mm

d50=0.69 mm

d50=1.16 mm

单宽流量:0.66×10-3、1.32×10-3、2.63×10-3、3.95×10-3、5.26×10-3 m2/s

坡度:8.7%、17.4%、25.9%、34.2%、42.3%

-

0.76

0.85

0.89

0.87

0.84

-

22

24

25

25

25

29
φ=3.63u*vs1.64uvs0.62ωvs-ωucrvs

5种砂粒

d50=0.058、0.127、0.218、0.414、1.098 mm

单宽流量:0.07×10-3~2.27×10-3 m2/s

坡度:5.2%、8.7%、13.2%、17.6%

---8130
Φ=0.0036ω`2.4981

沙黄土

d50=0.095 mm)

绵黄土

d50=0.04 mm)

坡度:12.23%、17.63%、26.8%、36.4%、40.4%、46.63%

降雨强度:40、60、90、120、138、

150 mm/h

沙黄土:

0.30%粗砂粒

64.9%细砂粒

22.0%粗粉粒

2.8%中粉粒

3.2%细粉粒

5.8%黏粒

绵黄土:

36.58%细砂粒

48%粗粉粒

3.84%中粉粒

4.73%细粉粒

6.85%黏粒

0.65990.756143615

Φ=0.54ω*1.57

Φ=6.26ω*2.46

细砂和粉砂

d50=0.17 mm

d50=0.53 mm

坡度:3.49%~20.9%

单宽流量0.0667×10-3~0.3333×10-3 m2/s

-

0.61

0.90

--17
SE=8.06ω-0.0025黄土

坡度:12.23%、17.63%、26.8%、 36.4%、40.4%、46.63%

降雨强度:40、60、90、120、138、

150 mm/h

36.21%砂粒

55.3%粉粒

8.49%黏粒

0.430.433521

注:Tc为片流输沙能力[kg/(m⋅s)];ρs为颗粒密度(kg/m3);q为单宽流量(m2/s);d50为土颗粒的中数直径(mm);ω为单位水流功率;ωucr为临界单位水流功率;γs为土壤干密度(kg/m3);SE为片蚀率[kg/(m2⋅s)];φ为无量纲化输沙率;u*为剪切速度(m/s);u为平均水流流速(m/s);Φ为无量纲化片流输沙能力;vs为颗粒沉降速度(m/s);ω`ω*均为无量纲单位水流功率;/为论文未提及相关参数;R2为决定系数;NSE为纳什效率系数;n为样本个数。

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2.3 水流剪切力

水流剪切力是径流分离土壤的主要动力之一,经常被用来模拟输沙能力及片蚀率(表31114161720~22293132)。一些学者通过试验结果分析得出水流剪切力可适用于描述输沙能力和片蚀111620~2229。Tayfur31通过比较不同坡度与降雨强度状态下的输沙模型,发现水流剪切力更适用于描述坡度为20%的裸坡坡面输沙能力以及坡度为10%~20%时高降雨强度下的输沙能力。Li等17通过分析不同种类黄土的片流输沙能力和水力学参数之间的关系,得出水流剪切力可较好地预测片流输沙能力,并在最优水动力参数的基础上建立无量纲化输沙能力方程。然而,Zhang等14根据模拟降雨试验得出的结果,认为水流剪切力并不能准确描述输沙能力。已有研究所用土壤多为扰动土,但原状土与扰动土内部结构差异较大,侵蚀机理亦存在不同,Zhang等32通过使用原状土研究片流对土壤分离的作用,表明片蚀率与水流剪切力之间存在的关系相关性较高。

表3   水流剪切力模型汇总表[11, 14, 16, 17, 20~22, 29, 31, 32]

Table 3  The summation of shear stress models [11, 14, 16, 17, 20~22, 29, 31, 32]

模型试验用土试验方法颗粒组成R2NSEn参考 文献
Tc=0.054τ1.982d50=0.28 mm

坡度:8.7%、17.6%、22.2%、26.8%、31.5%、 36.4%、41.4%、46.6%

单宽流量:0.625×10-3、1.250×10-3、1.875×10-3、2.500×10-3、3.125×10-3、3.750×10-3、4.375×10-3、5.00×10-3 m2/s

-0.980.976411
SE=0.0011τ1.601-

坡度:12.3%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6%

降雨强度:42、60、90、120、150 mm/h

植被覆盖率:30%、40%、50%、60%、70%

70.09%砂粒

21.42%粉粒

8.49%黏粒

0.790.555016

Gs=137.2τ-0.642

Gs=197.56τ-12.9

Gs=286.81τ-10.91

-

坡度:17.6%、36.4%、57.7%

流量:1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.5、10 L/min

-

0.925

0.805

0.929

-

7

7

7

20
SE=0.011τ-0.01沙黄土d50=0.0039 mm

坡度:12.23%、17.63%、26.8%、36.4%、40.4%、46.63%

降雨强度:40、60、90、120、138、150 mm/h

70.09%砂粒

21.42%粉粒

8.49%黏粒

0.880.881821
SE=1.26(τ-0.12)黄土

坡度:12.23%、17.63%、26.8%、36.4%、40.4%、46.63%

降雨强度:40、60、90、120、138、150 mm/h

36.21%砂粒

55.3%粉粒

8.49%黏粒

0.830.833522

Tc=0.044τ2.065

Tc=0.022τ2.294

Tc=0.018τ2.309

Tc=0.015τ2.314

Tc=0.012τ2.320

d50=0.10 mm

d50=0.22 mm

d50=0.41 mm

d50=0.69 mm

d50=1.16 mm

单宽流量:0.66×10-3、1.32×10-3、2.63×10-3、 3.95×10-3、5.26×10-3 m2/s

坡度:8.7%、17.4%、25.9%、34.2%、42.3%

-

0.95

0.97

0.97

0.97

0.97

-

22

24

25

25

25

29
Tc=ηττ-τc1.92沙土d50=0.35 mm

坡度:5.7%、10%、15%、20%、30%、40%

降雨强度:32、57、93、117 mm/h

90.0%砂粒

10.0%粉粒

---31

Φ=0.32τ*1.87

Φ=0.071τ*1.97

细砂和粉砂

d50=0.17 mm

d50=0.53 mm

坡度:3.49%~20.9%

单宽流量:0.0667×10-3~0.3333×10-3 m2/s

-

0.67

0.75

--17
Tc=0.015τ1.86-

坡度:12.3%、17.6%、26.8%、36.4%、40.4%、46.63%

降雨强度:24、60、90、120、138、150 mm/h

34.0%砂粒

56.1%粉粒

9.9%黏粒

0.530.3215514
SE=0.0084τ-0.0184-

单宽流量:0.25×10-3、0.50×10-3、1.0×10-3、 1.5×10-3、2.0×10-3 m2/s

坡度:8.7%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6%

7.9%砂粒

66.7%粉粒

25.4%黏粒

0.89--32

注:Tc为片流输沙能力[kg/(m2⋅s)];τ为水流剪切力(Pa);ητ为土壤侵蚀系数,是土壤颗粒粒径和密度的函数;τc为临界水流剪切力(Pa);Gs为径流输沙能力(g/min);SE为片蚀率[kg/(m2⋅s)];Φ为无量纲化片流输沙能力;τ*为无量纲化水流剪切力;d50为土颗粒的中数直径(mm);-为论文未提及相关参数;R2为决定系数;NSE为纳什效率系数;n为样本个数。

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2.4 流速与水深

流速是描述坡面片蚀过程水力特性的基本参数之一,对片蚀具有重要的影响。20世纪50年代国外学者普罗托季亚科诺夫33最早在浅草覆盖坡面上进行不同单宽流量和坡度的组合试验,分析得出水流流速、坡度和单宽流量之间存在幂函数关系。Guy等34对坡面水流流速进行了更加深入的研究,其研究结果表明坡面流速随着单宽流量增大而增大,同时他们发现黏滞系数对于水流流速存在影响。国内学者江忠善等35根据不稳定流计算理论对坡面流速试验资料进行了整理分析,得出流速拟合关系式。随后姚文艺36、雷阿林等37和李小昱等38针对坡面水流流速进行研究,分析得出不同形式的流速公式。外国学者Ali等39在研究中发现平均水流流速与平均粒径和径流量之间分别存在着良好的幂函数关系与指数函数关系。为进一步明确探究片流流速在侵蚀过程中对泥沙的影响作用,Sirjani等40采用不同土壤、不同片流流速和不同坡度的组合进行试验,结果表明:单宽流量和泥沙浓度随着片流流速增加而增加;对于不同土壤和不同的坡度,泥沙浓度和片流流速均存在明显的关系。Wang等41认为在片蚀区域中,流速和水深比在沟蚀区域中小,低流速可能会导致少量粗颗粒搬运。

坡面水流一般深度较浅,通常受降雨因素、坡面特性因素以及流量的影响,难以测定以及分析研究。除上述影响因素外,前人针对流速公式研究所得的计算公式多是基于特定试验条件,且流速公式只能求得平均水流流速,对于流速的时空变化分布研究尚不精准,这将影响对片蚀水动力特性的深入了解。

水深亦是坡面片蚀过程中的水力特性之一,对于片蚀有重要的影响作用。细沟间水流的水深难以测得,有学者认为其深度小于2 mm42,受表面植被覆盖、降雨和下垫面等诸多因素的影响,目前研究尚不深入。部分国内学者对于平均水深与单宽流量之间的关系进行过研究:张光辉43通过试验得出流量和平均水深以及坡度之间存在幂函数关系;杨锦等44研究表明在黏砂床面平均水深与单宽流量之间呈幂函数关系形式;吴淑芳等45的试验数据分析结果指出在坡度一定时,无论有无植被覆盖,平均水深均随着单宽流量的增加而呈幂函数增大。Kinnell4647认为水深对土壤颗粒的分离和搬运有显著的影响。郭忠录等48通过对试验数据分析得出平均水深随着坡度增加而增大,且平均水深与有效供水量呈幂函数关系。白玉洁等49针对急陡黄土坡面的水动力特性进行研究,得出结论:在坡度一定时,随着降雨强度增加,平均水深呈平稳增长趋势;在降雨强度一定时,水深则随着坡度增加呈降低的趋势。Wang等50通过研究径流中泥沙浓度对于水动力参数的影响,发现含沙量的增加以及平均流速的降低可导致水深减小。

3 片蚀外部影响因素

3.1 降雨强度

在侵蚀过程中,降雨强度可通过对水深和片流搬运能力的影响进而影响侵蚀过程5152。已有研究表明降雨对土壤侵蚀存在影响,主要表现在降雨强度方面53~55。贾绍凤等56指出侵蚀量与降雨强度之间存在幂函数关系。然而Mohamadi等57根据不同降雨强度下的试验结果,分析了降雨强度大小与侵蚀量之间的关系:当降雨强度较小时,降雨强度对土壤侵蚀的影响是线性的;当降雨强度较大时,降雨强度对土壤侵蚀的影响是非线性的。

一些学者根据降雨强度与径流量之间的关系,分析二者对于片蚀的影响:Wen等58认为由于降雨对坡面土壤的压实作用和径流的影响增加,降雨强度对坡面片蚀量的影响明显大于单独径流作用对片蚀量的影响;Shen等59则根据不同降雨强度和径流量的组合试验结果分析得出降雨和径流共同作用时对土壤侵蚀的影响效果最大,单独降雨作用次之、单独径流作用最小;Guo等60认为降雨强度和径流对于土壤侵蚀起着同等重要的作用。上述研究成果表明在侵蚀过程中降雨强度对于土壤侵蚀起着显著作用,另一些学者在降雨强度对于泥沙浓度影响方面也进行了研究:Defersha等61认为虽然降雨强度增加导致泥沙浓度增加,但对于泥沙浓度的主要影响作用实际上取决于土壤初始含水量和土壤类型;Wu等62通过野外现场试验证明泥沙浓度与侵蚀之间的关系取决于降雨强度的不同,当降雨强度较小时,泥沙浓度随着侵蚀程度的加剧而增加,而高降雨强度下泥沙浓度与侵蚀程度之间的变化关系则呈非线性规律。

3.2 坡度

坡度作为地形因素是片蚀的重要影响因素之一,在不同类型的试验土壤下,坡度对于片蚀的影响存在一定的差别63。影响坡度和侵蚀之间关系的因素可总结为土壤透水性和表面流动特性的变化,包括径流路径的发展、物源区域的连通性、土壤饱和度和内聚力大小、水流深度64。刘志等65、Fu等66和Zhang等14根据试验数据资料,指出黄土坡面的片蚀量随着坡度呈先增加后减小的变化状态,片蚀过程中存在临界坡度。有学者5367指出片蚀量随着坡度增加而增加,且不出现临界坡度。Fox等68分析了坡度和片蚀量之间的关系,认为片蚀量与坡度存在线性关系。Auerswald等69通过研究不同降雨作用方向对于侵蚀的影响,得出结论:坡度的增加可导致向上移动和向下移动降雨作用下的坡面片蚀量增加,以及二者之间的相对差值增加。刘俊娥等2分析了坡度对片蚀黄土坡面片蚀量的影响,描述了坡度与黄土坡面片蚀量的关系,即片蚀量随着坡度的增加而呈指数关系增大。

部分学者将坡度与降雨强度相联系,研究二者对片蚀的影响作用,学者多认为降雨强度对于片蚀的影响作用大于坡度的影响作用:刘俊娥等70发现黄土坡面下坡位片蚀侵蚀规律较差,雨强和坡度对于下坡位片蚀均存在影响并且影响关系可用对数方程进行描述,降雨强度的影响作用大于坡度的影响作用;Wu等21通过模拟黄土坡面片蚀过程发现片蚀率与坡度和降雨强度存在幂函数关系,降雨强度对片蚀率的影响高于坡度的影响;盛贺伟等71使用黄黏土进行不同降雨强度和坡度组合的模拟降雨试验,发现降雨强度对稳定阶段片蚀率的相对贡献作用超过82%,远大于坡度对稳定阶段片蚀率的相对贡献作用。

坡度作为地形特征因素不仅决定了驱动径流和泥沙的能量,而且决定了水流和泥沙搬运的方向,故坡度的研究对于地形复杂区域的水土流失建模尤为重要72。部分学者对坡度与片蚀之间的关系进行了探讨,然而对于片蚀量与坡度之间的关系仍然存在分歧,不同学者的研究得出了不同片蚀量与坡度关系,但是否存在临界坡度这一问题尚无定论,得出的结论存在差异可能与不同研究的试验条件有关。

3.3 覆盖

植被覆盖可以提高土地覆盖的有效性,并减少对土壤侵蚀的敏感性73。Cerda74认为植被覆盖可能对地表水文特征起着影响作用,对侵蚀过程中的分离、搬运和沉积过程影响较大。张光辉43、杨春霞等75和朱慧鑫等76根据试验资料,分析植被覆盖尤其是草地覆盖影响的片蚀过程中的径流水动力特性。Ding等77根据试验数据资料,分析了不同草被覆盖率和不同草被分布模式下水动力参数变化特征,发现植被覆盖率的变化可显著影响水流流速、弗劳德数以及阻力系数,然而雷诺数与植被覆盖率无明显关系。Pan等78分析了草坡片蚀过程的试验数据,发现增加植物覆盖率可降低水流流速,且缓坡上植被覆盖对流速的影响大于陡坡上植被覆盖对流速的影响。同时他们发现侵蚀模数随着覆盖率的增加而降低,这一现象可归因于植被根系引起的土壤团聚体稳定性的增加,以及随着植被覆盖率的增加导致有效降雨动能和流速的降低,可见植被覆盖不仅影响着侵蚀水动力特性,对侵蚀特性亦存在影响。马春艳79通过野外人工放水冲刷试验,得出在不同坡度、不同径流量下草地坡面片蚀率均呈现先减小后趋于平稳的变化趋势,其变化关系也可分别用对数关系和幂函数关系进行描述。Oakes等80对不同规模的侵蚀地块进行片蚀机理和控制因素研究,发现在较高的植被覆盖率下,水分入渗更快,地表径流量的减少以及草被提供的物理屏障等因素致使片蚀率较低。

纵观国内外研究,学者们对于植被覆盖对坡面片蚀的影响作用做出了一些研究,包括水动力特性、侵蚀特性和片蚀率等方面,并且可以研究结论对于有效控制坡面水土流失提供科学依据,然而仍然缺乏对植被覆盖坡面片蚀过程的系统研究。

3.4 地表粗糙度与土壤特性

地表糙度是反映地表微地貌形态和物理性状的重要指标,通常情况下,地表糙度既增加了径流流动的阻力、减小径流的流速,又增加径流深度、增强径流冲刷力。在侵蚀过程中,二者的互相影响作用对侵蚀产沙量起到了一定的影响作用8182。自20世纪50年代,外国学者Kuipers等83对于该问题提出了初步的设想。随后,国内外不同学者就地表粗糙度对于侵蚀的关系展开了相关研究,所得结论主要有2种观点:部分学者通过试验证实,地表粗糙度的增加可导致蓄水下渗能力增大,进而侵蚀产沙量与径流量减小84~86;其他学者则指出,与光滑地表相比,粗糙的地表在径流开始前并没有显示出高的入渗量,并且当径流边际受到影响时,其侵蚀产沙量反而愈大8788。上述2种相悖的观点存在的可能原因为试验条件的不同以及忽略了坡度等因素。

具有不同特性的土壤其片蚀规律亦有不同89。国内部分学者分析了不同类型土壤的片蚀规律:管新建90通过对邙山黄土和粉煤灰进行降雨试验,分析比较了不同介质在不同降雨强度的响应,指出产沙量和含沙率在降雨过程中表现出相似的变化规律,但拐点出现的时间各不相同;耿晓东91研究发现红壤土、黄土和紫色土单位径流引起的坡面土壤侵蚀量有所不同。部分外国学者则从土壤的机械组成分析土壤的抗蚀性:Wischmeier等92发现耕地土壤侵蚀多发生在沙性或多粉粒的土壤上;Kirkb93研究表明,87.5%的侵蚀性土壤的黏粒含量为9%~35%,而75%侵蚀性土壤的黏粒含量为9%~30%;Bryan94提出土壤团聚度及团聚体的稳定性是决定和影响土壤可蚀性最重要的物理性质,团聚体稳定、结构性能较好的坡面土壤渗透性能好,水土流失较少。综上可见土壤特性对片蚀的影响作用较大,且不同类型不同机械组成的土壤其抗蚀性存在差异。

4 降雨物理特征参数

降雨作为影响坡面侵蚀的重要动力因素,涵盖降雨动能、降雨强度、降雨历时和雨型等因子,降雨物理特征参数对于片蚀具有重要的影响95。其中,降雨动能是衡量雨滴击溅作用的最好指标96,雨滴击溅导致颗粒破碎分解加剧了土壤侵蚀,这一问题引起了科学家的关注。Rienzi等97和Reza等98通过分析片蚀过程中降雨动能对于颗粒粒径分布的影响,发现在片蚀过程中土颗粒粒径分布是降雨冲击力作用的结果,降雨作用下大的颗粒体碎裂产生更细、更易搬运的微颗粒,降雨动能的增加致使细颗粒增加,从而引起粒径分布的变化。Wang等99的研究表明,就黄黏土而言降雨动能阈值为105 m2/h,超过此阈值时降雨动能对片蚀过程的影响可能会改变。Grismer100指出雨滴动能是土壤分离过程中的主要影响因素,降雨动能与降雨侵蚀力呈正比关系。

为探究降雨移动方向对于片蚀的影响,Ran等101102采用不同降雨移动方向进行模拟降雨试验,结果表明下坡降雨相较于上坡降雨会产生更高的径流峰值,下坡降雨可导致更严重的土壤侵蚀问题。De Lima103通过研究对不同降雨移动速度下的侵蚀数据进行汇总分析,认为降雨移动速度的增加可减少坡面土壤侵蚀量,同时减少了在相反方向移动的降雨导致的土壤侵蚀量之间的绝对差值和相对差值。在后续研究中,Lima等104发现缓慢移动的降雨可产生具有更高峰值的径流量,加剧了片蚀。

其他降雨物理特征参数对片蚀亦有影响作用。30分钟内最大雨强I30是控制侵蚀的主要影响因素之一,I30PI30βI30等和片蚀之间存在较为明显的相关关系,可用来描述土壤片蚀可蚀性54106~107。Fu等107认为雨滴直径对侵蚀存在着影响关系,通过模拟降雨试验得出分析结果表明:较大直径的雨滴是片蚀过程中土壤分离的驱动力,较大雨滴的直径与较大的团聚体分解和分散程度相对应。

综上,学者关于降雨物理特征参数对片蚀影响的研究多是建立在人工模拟降雨试验上。然而有学者认为人工降雨与自然降雨仍存在明显的差异,在人工模拟降雨中根据雨滴大小来模拟自然降雨存在误差,不能较为准确地研究降雨特征参数对片蚀的影响作用,在模拟自然降雨状态时,通过调整降雨参数使得降雨动能相同可较方便地模拟109

5 片蚀模型

在学者们对土壤侵蚀研究的过程中,对片蚀模型有了越来越深入的认识与发展。对于片蚀模型的研究,必将促使人们从作用机理的角度认识片蚀的本质原因,汇总的片蚀模型如表422165110~120所列。Meyer121采用模拟降雨试验,分析片蚀率(Di)和降雨强度(I)的关系,指出片蚀率(Di)可由降雨强度(I)的指数方程进行描述。然后Nearing等110将其简化得到:Di=KiI2K为片蚀模数。Kinnell111认为径流率(Q)和坡度(S)在片蚀过程中的影响作用不容忽略,将其融入片蚀模型并得到:Di=KiISQ。随着片蚀模型研究的不断深入,随后的一些片蚀模型21112~114也是基于上述形式进行发展。水蚀预报工程模型(Water Erosion Prediction Project, WEPP)中所采用的片蚀模型是比较有代表性的115,该模型是通过试验资料分析建立的片蚀与影响因子之间关系的经验方程:Di=KiIQSf,其中Sf为坡度因子。Zhang等116根据试验数据分析,使用坡度因子(Sf),并将坡长(L)融入片蚀模型中:Di=KiISfQmLn,在该试验条件下参数mn的值分别为0.242和-0.317。

表4   片蚀模型汇总[2, 21, 65, 110~120]

Table 4  The summation of sheet erosion models [2, 21, 65, 110~120]

模型试验条件颗粒组成参数值R2NSEn参考文献
Di=KiI2------110
Di=KiISQ------111
SE=7.5×10-12S1.43I3.04

试验用土:沙黄土d50=0.0039 mm

坡度:12.23%、17.63%、26.8%、36.4%、

40.4%、46.63%

降雨强度:40、60、90、120、138、150 mm/h

70.09%砂粒

21.42%粉粒

8.49%黏粒

-0.9500.871821
Di=KiIQ12S23

试验用土:Cecil沙壤土,Dyke黏土

坡度:8.7%、17.6%、26.8%、36.4%

降雨强度:42、62、78、90 mm/h

Cecil沙壤土:

69%砂粒

20%粉粒

11%黏粒

Ki=0.400.969--112

Dyke黏土:

27%砂粒

33%粉粒

40%黏粒

Ki=0.270.692
Di=KiIQS23

试验用土:黄土

坡度:1.4%、6.1%

降雨强度:30、66、102、138、162、174 mm/h

-Ki:1 113.6~ 10 135.9---113
Di=KiRI0.22SfL-0.25

试验用土:黄绵土

坡度:17%、27%、36%、47%、58%

降雨强度:48、62.4、102、149、170 mm/h

38.72%砂粒

45.59%粉粒

15.69%黏粒

0.53%有机质

Ki:221~1 049---114
Di=KiIQSf

坡度:3.0%、6.0%、50.0%

降雨强度:63 mm/h

-----115
Di=KiISfQmLn

试验用土:黄绵土

坡度:17.6%、26.8%、36.4%、46.6%、57.7%

降雨强度:48、62、102、149、170 mm/h

39%沙粒

45%粉粒

16%黏粒

0.5%有机质

Ki=132.9

m=0.242,

n=-0.137

---116
Di=KiI0.91S0.91Q1.76eP

试验条件:淋溶黏壤土

坡度:8.7%、17.6%

降雨强度:30、60、90 mm/h

沙粒:13.7%

粉粒:54.2%

黏粒:32.1%

Ki=2.59×10-20.9200.92219117
Di=KiI0.91S0.91Q1.76epL1.62

试验用土:淋溶黏壤土

坡度:8.75%

降雨强度:30、60、90 mm/h

13.7%砂粒

54.2%粉粒

32.1%黏粒

Ki=0.03

(渗流状态)

0.970(渗流状态)-15(渗流状态)118

Ki=0.04

(饱和状态)

0.810(饱和状态)-30(渗流状态)
Di=0.34AsI2(1.05-0.85exp-4sinθ

坡度:10%~20%

降雨强度:31.2±1.4、61.2±2.2 mm/h

--0.870--119
Di=0.34AsqI(1.05-0.85exp-4sinθ0.890
M=2.9405E`-0.0574

试验用土:沙黄土d50=0.095 mm

坡度:15.8%、21.3%、26.8%、32.5%、38.4%

降雨强度:60、79.8、100.2、120、139.8 mm/h

65.2%砂粒

28%粉粒

5.8%黏粒

-0.854-252
A=αkEm(Epu)n

试验用土:黄土母质性黄绵土

坡度:17.6%、26.8%、36.3%、

46.6%、57.7%、70.0%

-

松动表土:

αk=10.1432

m=0,n=1.290

松动表土:

R=0.866

--65

不松动表土:

αk=1.0931

m=0.39,n=0.812

不松动表土:R=0.792--
G0=K1S2+K2S+K3

松动表土:

K1=-12.26

K2=762.43

K3=-3 991.90

松动表土:

R=0.982

--

不松动表土:

K1=-2.03

K2=154.07

K3=214.67

不松动表土:R=0.968--
A=0.074K0.78KE3.72

试验用土:黄绵土、黑土、红壤

坡度:17.6%

降雨强度:50、100 mm/h

黄土: 28.3%砂粒,58.1%粉粒,13.6%黏粒-0.860-80120
黑土: 3.3%砂粒,76.4%粉粒,20.3%黏粒
红壤: 6.4%砂粒,76.6%粉粒,17.0%黏粒

注:Di为片蚀率[kg/(m2⋅h)];Ki为片蚀模数[kg/(m4⋅s)];I为降雨强度(mm/h);Q为径流速率(m/s);S为坡度(%);Sf为坡度修正因子;E为次降雨动能(J/m2);Epu为单位面积径流势能(J/m2);αmn为方程待定系数;k为反应土壤易蚀性效应因子;K1K2K3为方程系数;As为稳定性系数;R为径流速率(m/h);q为径流速率(mm/h);θ为坡度角(°);M为片蚀率[kg/(m2⋅min)];E`为瞬时断面单位能量(cm);G0为年均片蚀量(g/m2);A为单次降雨片蚀量(g/m2);K为土壤可蚀性因子;KE为降雨能量[J/(m2/mm)];L为坡长(m);SE为片蚀率[kg/(m2⋅min)];P为流体静压头(m);-为论文未提及相关参数;R2为决定系数;NSE为纳什效率系数;n为样本个数。

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一些学者着眼于其他因素对于片蚀的影响,将片蚀模型不断完善。Wang等117将近地表水力梯度融入片蚀经验模型之中,得出:Di=KiI0.91S0.91Q1.76ep,其中p(m)为流体静压头。随后Wang等118将稀土元素(Rare Earth Element,REE)示踪技术融入试验中,通过REE示踪技术分析片蚀过程,根据试验分析结果将坡长(L)融入上述片蚀模型,得到更加完善的片蚀模型:Di=KidI0.91S0.91Q1.76epL1.62,其中Kid为相关片蚀分离因子。Yan等119认为颗粒稳定性是描述、定量表示以及预测侵蚀过程的重要因素,故根据不同降雨强度下的野外试验数据分析得出2个基于颗粒稳定性指数的片蚀模型:Di=0.23AsI21.05-0.85exp-4sinθDi=0.34AsqI1.05-0.85exp-4sinθ,其中As为颗粒稳定性指数,q为径流速率,θ为坡度角。刘俊娥等2、刘志等65和胡伟120从径流能量和降雨能量的角度出发,分别建立了适用于描述不同试验状态下的片蚀模型。

纵观国内外片蚀模型研究进展,学者们研究了降雨、径流、坡长与坡度对于片蚀的影响作用,建立了基于各个因素的片蚀模型,分析了各片蚀模型的适用性。然而,已有研究内容较少涉及到涵盖土体本身性质因素以及不同覆盖条件因素的片蚀模型,当前的片蚀模型研究仍需进一步深入。

6 片蚀过程

片蚀过程是坡面径流侵蚀过程的第一阶段,研究片蚀过程可为阐明片蚀机理提供重要的科学依据,国内外学者根据理论分析和试验研究对片蚀过程进行研究,得出各自观点。郑粉莉122通过分析人工降雨试验数据,阐明片蚀形成机理:降雨雨滴对于土壤表面产生冲击力,土壤表面形成薄层致密结皮,同时由于土壤孔隙封闭导致入渗能力降低,从而在土壤表面形成薄层水流,该过程即为片蚀过程。Kinnell123深入研究了片蚀过程,认为片蚀过程可包含4个分离输沙系统过程,分别为雨滴分离—雨滴搬运过程、雨滴分离—雨滴驱动的径流搬运过程、雨滴分离—径流搬运过程和径流分离—径流搬运过程。刘俊娥2在前人的研究基础上,采用模拟降雨的方法进行了黄土坡面片蚀过程的研究,分析了黄土坡面片蚀过程的变化,阐明了黄土坡面片蚀过程机理。

片蚀过程中的分离、搬运及其限制过程是片蚀研究的重要组成部分。Gilley等124开发出一种片蚀模型,该模型可模拟受分离限制的片蚀过程和受搬运限制的片蚀过程。后续学者基于已有的研究基础,对于片蚀过程中的分离、搬运及其限制过程进行了更深入的探讨。Assouline等125通过研究结皮状态下土壤片蚀的动态变化,发现可通过片流搬运能力和雨滴分离能力判断片蚀的限制过程。同时,他们指出:在较陡的坡面上,侵蚀早期阶段主要是受片流搬运限制的过程;随着降雨的继续,受片流搬运限制的过程转变为受分离限制的过程。Ran等101在研究中采用径流量峰值图对受搬运限制的过程和受分离限制的过程进行划分:当地表径流量较小时,侵蚀过程为受搬运限制的过程;当地表径流量较大时,该阶段侵蚀过程为受分离限制的过程。Wu等126基于雨滴分离能力和片蚀率的概念,对片蚀分离、搬运及其限制性过程进行定义:当雨滴分离能力大于片蚀率时,是受片流搬运限制的过程;当雨滴分离能力小于片蚀率时,是受雨滴分离、片流分离限制的过程;当雨滴分离能力和片蚀率相等时,是雨滴分离与片流搬运动态平衡过程。

7 结论与展望

纵观国内外学者对片蚀进行的上述研究,揭示了水动力学以及水力学参数、外部影响因素和降雨特征参数对于片蚀的影响,分析了基于各影响因素建立的片蚀模型,给出了片蚀分离、搬运和沉积过程的相关分析结果,从定性和定量角度为片蚀研究奠定了基础。水力学和水动力学参数在模拟和预测输沙能力中起着重要的影响作用,但由于试验条件的不同,适于描述片流过程中输沙能力的最佳水动力学参数尚无定论;降雨是影响坡面片蚀的重要动力因素,但已有研究多采用模拟人工降雨的方式进行试验,然而人工模拟降雨与自然状态下的降雨存在一定差异,不利于试验数据的准确性;坡度是模拟片蚀的主要地形因素,但目前已有研究针对坡度与片蚀量之间的关系仍存在一定的分歧;诸多片蚀试验使用裸坡坡面,植被覆盖多采用草被覆盖,缺乏对于植被覆盖坡面片蚀过程及机理的系统研究;片蚀模型多针对片蚀与坡度、降雨强度、坡长、片蚀可蚀性等影响因子之间关系的经验模型,较少涉及土体本身性质以及土体表面覆盖物,大多数模型往往只适用于特定情况,且缺乏涉及片蚀动力学过程的模型;片蚀过程是坡面径流侵蚀过程的第一阶段,片蚀过程中的分离、搬运及其限制过程是片蚀研究的重要组成部分。

综上所述,现有的片蚀研究取得了一定的研究成果,加深了人们对片蚀发生发展过程和作用机理的认识,也为片蚀危害性评价提供了一定的依据。但片蚀研究仍很薄弱,一些关键问题尚未有确切定论,作者认为今后可在以下几个方面重点研究:片蚀动力机制研究中,不同影响因素的设置对于试验起着至关重要的作用,回顾国内外现有研究,研究者们在试验过程中将影响因素设置更加全面化,力求试验条件更符合自然状态,有利于更加准确模拟片蚀过程。降雨过程中的风力、风速、雨滴直径等,水动力特性研究中考虑下垫面、边界状态、坡面特性等,使用原状土代替重塑土应用于试验中,植被覆盖可考虑更多组合的应用,这些都可作为未来研究中片蚀影响因素的侧重点。借助GIS技术以及REE示踪技术研究坡面片蚀过程中分离、搬运、沉积过程的时空变化特点,更加全面、具体地建立片蚀过程水沙和能量传递关系。加强技术与学科交叉在片蚀研究中的应用,例如将土力学融入片蚀研究更加全面地分析降雨过程对于坡面土体的影响作用,借助人工智能监测技术等观测片蚀过程中土体微观变化以及分离、搬运、沉积过程中临界点水动力学参数变化。

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